2022年黄土高原典型暴雨侵蚀及洪水灾害调查分析

杨 波,焦菊英,,马晓武,赵文婷,凌 麒,张昕晗,王 飞2,,韩剑桥2,,杜鹏飞,丛佩娟,刘政鸿,陈 昊,戈文艳

〔1.中国科学院 教育部 水土保持与生态环境研究中心,陕西 杨凌712100;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌712100;3.中国科学院大学,北京100049;4.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌712100;5.中国水利水电科学研究院 国际泥沙研究培训中心,北京100038;6.水利部水土保持监测中心,北京100053;7.陕西省水土保持勘测规划研究所(陕西省水土保持生态环境监测中心),陕西 西安710004〕

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第6次报告显示,近年来,全球气候变化的影响和风险愈发复杂,气象灾害频发,极端气候事件发生的频率和强度呈增加态势。研究[1-2]表明,欧亚旱地是最易受到气候变化影响的地区,极端气候事件发生的可能性更大。资料[3-5]显示,黄土高原近些年暴雨事件呈多发的态势。因此,开展该区暴雨侵蚀灾害调查,研究暴雨过后的侵蚀和洪水灾害显得十分重要。

2022年7—8月,黄土高原多省区遭受大暴雨的袭击。根据官方新闻消息和中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)数据显示,7月10—11日,陕西省榆林市定边县暴雨中心累积最大降雨量为114.3 mm,1 h最大雨强为56.3 mm,该次降雨已超全年总降雨量的1/4,暴雨导致大量的农田被冲毁和淹没。7月15日,陕甘宁3地分别暴发大暴雨,陕西省延安市安塞区、甘肃省庆阳市庆城县、宁夏回族自治区西吉县暴雨中心当日累积降雨量分别高达144,370,140.6 mm。8月10—11日,山西省吕梁市中阳县遭遇历史罕见特大暴雨,暴雨从10日晚22时下至11日上午11时,累积降雨高达205.8 mm。8月17日15时,青海省大通县突发瞬间强降雨,最大1 h雨强为40.6 mm,暴雨引发山洪,形成泥石流灾害,致使河流改道,2个乡镇6个村1 517户6 245人受灾,并造成多人伤亡和失踪(来源央视新闻客户端);同日,位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗突发强降雨,最大累积降雨量为248.8 mm。8月21日晚,吕梁市临县暴雨中心最大1 h雨强达69.5 mm,暴雨导致李家坡低村受灾严重,降雨发生后的1 h内洪水便漫过河道并高出路面3 m高,使得居民房屋淹没,人员和财产遭受巨大损失。

由于受疫情影响,本研究团队分别于2022年7月14日至8月8日和8月19日至9月3日对陕西省榆林市定边县、延安市安塞区和山西省吕梁市中阳县和临县暴雨中心进行了实地踏勘,通过对小流域进行无人机航摄,结合人工对现场发生的各种侵蚀现象及下游洪水灾害的实地调查,以期摸清场次暴雨下小流域土壤侵蚀灾害特征,为今后该区暴雨侵蚀灾害的预防和治理以及黄土高原地区生态保护高质量发展提供参考。

调查区定边县、安塞区、中阳县和临县均处于黄土高原腹地,区内主要地貌类型为丘陵沟壑区,海拔673.6～1 907 m。气候类型为温带大陆性气候,年均降雨量在316.9～518.6 mm,冬春干旱,夏秋湿润多雨,降雨主要集中在夏季,多以暴雨形式发生,时空分布不均,辖区内全年平均气温3～18℃,土壤类型主要有黄绵土、沙黄土和灰褐土,辖区沟壑纵横,粱峁遍布,川道狭长、在暴雨条件下极易侵蚀,4县暴雨调查流域详见表1。

表1 调查流域基本信息

1 研究方法

1.1 调查内容

此次调查,对4县区的暴雨中心共计9个大小不同的小流域(表1)。通过实地调查和无人机影像提取,主要分析流域内在场次暴雨条件下发生的坡面沟蚀、重力侵蚀、道路侵蚀、梯田损毁的量、淤地坝的淤积损毁情况以及流域下游村庄、农田等洪水淹没情况。

1.2 调查方法

本次调查主要通过现场人工实测和无人机航拍相结合的方式。现场调查采用样带法,沿小流域从上游往下游调查,对所经过的范围内所有的侵蚀现象均进行详细的调查和记录。主要包括:坡面侵蚀沟需测量其长、宽、深,记录其坡度、土地利用类型、植被盖度等数据,其中细沟测量采用样方法从坡顶至坡脚用等间距断面法测量;梯田调查需测量田面的宽度,田埂宽度、高度,田坎的高度、损毁处的长宽深等数据;测量淤地坝淹没高度和淤积厚度,对损毁的淤地坝测量损毁处的长宽深等数据;下游村庄淹没调查,主要通过测量其淹没和淤积高度,并通过现场询问的方法进行淹没灾害调查。流域实测调查点均需通过奥维软件定位打点,容重通过环刀取样。无人机航摄主要采用仿地飞行的方式,型号为DJI大疆精灵4RTK智能航拍无人机,飞行高度控制在200 m以内。对飞行完成的航拍照片进行影像拼接处理,可得到小流域现场高清影像图和DEM高程等不同格式文件,室内进行数据分析整理。

1.3 调查区暴雨资料的收集与分析

各地降雨资料来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)、地方气象局和官方发布的新闻消息。按照王万忠、焦菊英等人[6-7]对黄土高原暴雨的划分标准,当60 min和24 h降雨量达到60 mm和200 mm时该次降雨为特大暴雨。定边1 h最大雨强为56.3 mm,24 h累积降雨总量为114.3 mm,安塞24 h累积降雨量为144 mm,均位于100.1～200 mm范围,两地均属于大暴雨标准;而中阳和临县降雨总量均达到特大暴雨60 min或者24 h累积降雨量大于60 mm和200 mm的标准,调查发现中阳县暴雨历时13 h,累积降雨量就已经达到了205.8 mm,远高于24 h累积降雨量达200 mm的特大暴雨标准。

2 土壤侵蚀与洪水灾害特征

2.1 土壤侵蚀特征

2.1.1 细沟侵蚀 细沟侵蚀是坡面主要发生的侵蚀类型之一[8-9]。通过对4个县区暴雨中心的9个小流域调查发现,细沟侵蚀多发生于坡耕地上,4县中存在有坡耕地较多的是定边县,其他3县流域内以梯田耕地和林草地为主,因此细沟侵蚀较少。对定边县小流域坡耕地调查发现,该区坡耕地主要种植作物为玉米、荞麦和苴麻,坡度主要集中在5°～15°,坡耕地侵蚀沟发育较多,其中细沟侵蚀多发生于荞麦地和休闲地上。坡耕地侵蚀量随坡度和上方汇水面积的增大而增大,与作物盖度大小成反比。在次暴雨条件下坡耕地细沟侵蚀模数平均高达33 227 t/km2,侵蚀沟平均宽、深分别为0.35和0.25 m,其中裸露的休闲地细沟侵蚀模数高达35 338～46 244 t/(km2·a),种植荞麦的坡耕地侵蚀模数为22 588～36 988 t/(km2·a),休闲地平均侵蚀模数是荞麦地1.44倍,细沟密度分别为0.6～0.68 m/m2,0.27～0.46 m/m2,休闲地细沟密度高于荞麦地(表2)。

表2 定边县调查坡耕地细沟侵蚀特征

2.1.2 浅沟侵蚀 浅沟主要发育在呈瓦背状地形的坡面[10-11],浅沟侵蚀在黄土高原坡耕地侵蚀中占有较大比例。

在该次暴雨条件下,定边县退耕后的草地浅沟沟槽无明显侵蚀现象(图1),表明草地植被具有良好的抵抗暴雨侵蚀的作用。

图1 草地浅沟沟槽无侵蚀(左)与坡耕地(荞麦地)浅沟侵蚀(右)对比(焦菊英拍摄于20220731)

调查发现,坡耕地在次暴雨条件下可一次性形成浅沟侵蚀,由细沟汇流而形成的浅沟侵蚀在该地较为常见(图2),且浅沟侵蚀特征多为宽浅型,侵蚀宽度多集中分布于0.96～3.11 m,深度集中分布于0.2～0.4 m之间,浅沟侵蚀深度与细沟侵蚀深度相似,这与该地耕层深度有关,该县位于黄土高原丘陵沟壑区和毛乌素沙地交界处,土壤类型多为沙黄土,通过对当地农民询问发现,该区坡耕地耕作多采用机械翻土和耕种,耕层深度多为0.3 m,耕层以内的土质较为疏松,耕层以下质地较为坚硬,加之沙黄土沙粒含量较多,黏粒含量少,因此耕作层易被侵蚀。调查小流域内坡耕地浅沟侵蚀强度达到了4 799.11～9 122.95 t/km2。

图2 陕西省定边县小流域内种植荞麦的坡耕地次暴雨下形成的宽浅型浅沟侵蚀

2.1.3 切沟侵蚀 调查发现,定边、中阳和临县在暴雨条件下沟道和坡面均有切沟形成,其中定边切沟侵蚀发育较多,在各土地利用类型下均有新形成的切沟侵蚀;而中阳、临县由于以梯田为主,切沟多发育在沟道部分,表现为沟道下切侵蚀。在暴雨条件下,坡耕地从分水岭由上至下,侵蚀沟经历了由细沟—浅沟—切沟的发育阶段(图3a),切沟的形成表示径流已经高度集中,径流剪切力显著增大,不仅导致休闲的裸地侵蚀严重,也使得有较好植被覆盖的草地被侵蚀,形成了无法被横跨耕作的永久性侵蚀沟[12-13]。定边县小流域在次暴雨条件下坡耕地新形成的切沟侵蚀长度最长可达111.5 m,宽度最高可达6.4 m,最深处达到了5 m,宽深比为1.28,表明侵蚀拓宽作用大于下切作用,单条切沟侵蚀量可达527.63 t,该汇水单元内切沟侵蚀强度为6 595.39 t/km2。山西中阳县和临县在特大暴雨条件下沟道下切严重,下切最深可达2.14～5.23 m,长宽分别为20.4～41 m和4.7～18 m,下切侵蚀量为270.84～6 819.12 t(图3b)。

图3 次暴雨条件下新形成的切沟侵蚀(杨波拍摄于20220731,20220829)

2.1.4 重力侵蚀 在暴雨条件下,发现流域易发生的重力侵蚀主要是崩塌和滑坡这两类,其中定边县小流域土地利用类型主要以耕地和草地为主,流域整体植被盖度较低,拦蓄降雨的能力较差,且该地的沙黄土水分入渗能力强,易在短时间内达到饱和。调查发现该区重力侵蚀多发生于沟道两侧,主要是由于沟道径流汇集较多,易造成沟底下切,导致两侧坡体底部失稳而发生整体下滑的现象,通过无人机影像解译,发现定边县在2～3 km2的小流域内范围内,发生重力侵蚀的地方达到了21～29处,最大滑坡体面积达到了3 583 m2。山西中阳县和临县在特大暴雨条件下重力侵蚀易发生在道路两侧(图4a),该区土地利用类型主要为梯田耕地和林地,整体植被盖度较好,侵蚀主要以重力侵蚀为主,单处重力侵蚀面积集中分布于5.52～64.66 m2。

一般而言,重力侵蚀产物以泥沙的形式被径流输移至下游形成淤积,而本次在定边县调查发现,重力侵蚀形成的土块被含沙径流运移至下游的过程中经过滚动打磨和泥沙包裹形成了大小不等近似球形的土球(图4b)。经现场调查发现,土球形态小的直径有10～20 cm,大的有2～3 m;与常规重力侵蚀产物相比,土球造成的侵蚀量要更大,也进一步反映出该区重力侵蚀的严重性,且土球在运移过程比一般泥沙输移对下游的庄稼、坝体等设施造成的破坏力更强。

图4 暴雨条件下形成的滑坡重力侵蚀及其产生的土球

2.1.5 道路侵蚀 道路侵蚀在历次大暴雨中都是不可忽视的一种侵蚀现象,道路侵蚀对流域的产沙贡献率较大[14-15],因此本文将其单独作为一节分析。在降雨产流的情况下,道路在流域中就成了天然的汇流路径,其显著增加大了流域的水文连通性,大量的坡面径流汇入道路,导致侵蚀严重。同样,在此次暴雨调查过程中,发现定边、安塞、中阳、临县4县暴雨区内生产道路均产生了严重的侵蚀现象,但不同地区道路侵蚀具有一定的差异性。定边县流域内均为土质生产道路,且该区存在有较多的坡地,导致在发生暴雨情况下,道路容易汇聚较多的径流,造成了严重的道路侵蚀,流域内生产道路侵蚀宽度由几十厘米到几米不等(如图5a所示)。一条3 m宽的道路被侵蚀所截断,侵蚀最深处可达4～5 m(图5b)。尽管安塞降雨大于定边县,但因流域内生产道路大多修建了拨水沟、排水沟,大部分径流被集中排出,导致道路侵蚀较定边轻。

图5 定边县小流域道路侵蚀

山西省中阳县小流域,道路均为不透水面的水泥道路,流域内水泥道路修建已达到了100%,水泥道路已通往各个田块,不透水路面在暴雨条件下整体不易被侵蚀,但在此次特大暴雨情况下,水泥道路在转弯处出现较多的损毁,该区道路损毁大都是径流从道路外侧排出时对道路路基的冲刷和掏蚀导致水泥道路出现众多的悬空(图6a),且从道路稍远处并不易被发现,不仅造成了侵蚀,也存在严重的安全隐患,威胁过往的行人和车辆安全。实地调查发现,一条1～2 km水泥道路发现了11处损毁,损毁宽度为0.72～7.8 m之间。

山西临县大部分农田生产道路也为不透水面的水泥道路,但比中阳县相比,水泥道路占比稍小,流域内还分布有土质道路,但该区小流域内同样以梯田耕地为主,坡耕地极少,因此坡面汇流至道路的径流不及定边县,使得该区道路侵蚀强度相对定边较轻(图6b),该区道路侵蚀宽深分别为0.41～8.6 m和0.13～5.3 m之间。

图6 小流域道路侵蚀

2.2 水土保持措施损毁特征

2.2.1 梯田损毁 近年来黄土高原地区梯田面积进一步增大,有新修建的坡改梯,也有对部分老梯田进行的改造,梯田作为水土保持工程措施的一种,不仅有效起到了保持水土、降低坡地土壤侵蚀的作用,也为当地农民提供了平整可供机械操作的优质农田。但在特大暴雨下,梯田仍会存在部分损毁,调查发现新修梯田和老式梯田在暴雨条件下损毁差异明显(图7a—7b)。

①在定边县,小流域梯田田面平整,接近0°。老梯田田坎及田埂基本完好,梯田田坎坡度均值为35.8°,盖度约为10%;除上方坡地汇水聚集的梯田地块存在部分田埂受损和田坎崩塌现象以外,基本无明显侵蚀。田埂损毁的平均长、宽、深分别为0.85,0.4 m和0.5 m,侵蚀体积均值为0.17 m3。但新修梯田由于土质疏松,且基本无作物,田块裸露,在径流汇集下容易被侵蚀损毁,易发生侵蚀的地方主要有连接各级梯田的道路、田面和田坎(图7c—7d);梯田道路侵蚀长度最高达20～180 m,沟宽0.23～1.9 m,沟深0.15～2 m;田坎崩塌长、宽、深分别为10～30,0.35～2.3 m和0.1～1.9 m,单块梯田侵蚀量新梯田显著高于老梯田。②在安塞县坊塌流域分别于雨季前后(2022年4月和2021年11月)修建了两次梯田,现有梯田面积约占流域总面积的27.11%,经过调查发现,雨季前所修梯田田面裸露,雨季后所修梯田种植有玉米、土豆、高粱、大豆等作物。在该次暴雨中,雨季前新修梯田田面出现多条侵蚀沟,平均长度为7.20 m,宽度为1.00 m,深度为1.11 m,平均侵蚀量为9.91 m3;而雨季后新修梯田平均侵蚀量为4.68 m3,为雨季前新修梯田的0.47倍。部分梯田在田面汇水处的田坎发生损毁,平均损毁长度为5.03 m。作为田面汇水出口,梯田与道路的连接处沟蚀严重,沟长多为12 m,沟宽介于0.15～1.60 m,平均宽度为0.76 m,沟深介于0.09～1.80 m,平均深度为0.84 m。且雨季前新修梯田田面疏松,低洼处多存有陷穴,平均长1.21 m、宽1.09 m、深3.82 m。③在中阳县金罗流域,梯田因年久失修,多已变成无埂梯田。流域内梯田利用率高,可大致分为农作物梯田和经济林梯田两类。种植玉米、土豆等农作物的梯田多为顺坡耕作,坡度约为19°,经此暴雨,田面细沟开始发育,细沟长度范围在1.03～7.80 m之间,差异较大,宽度和深度则分别介于0.11～1.40 m和0.09～1.10 m之间,均值分别为0.49 m和0.37 m。以核桃等经济林为主的梯田平均坡度为8°,多发生梯田田坎损毁,损毁田坎最长可达7.7 m,厚度则为0.29 m。④临县的梯田由于修建时间较为久远,且缺乏维护,梯田田埂均不复存在。由于缺乏田埂的保护作用,雨水在田面边缘低洼处汇集,在水分饱和后,造成梯田田坎滑塌,滑塌的平均长度、宽度和厚度分别为5.13,3.69,0.56 m。梯田田面多种植核桃等经济作物和玉米、土豆等农作物。

图7 陕西省定边县新老梯田侵蚀对比

2.2.2 淤地坝损毁 淤地坝是黄土高原地区防治水土流失,淤积良田的重要水保工程措施[16-17]。作者团队对4县暴雨中心流域,共调查淤地坝27个(表3),定边、安塞、中阳和临县调查淤地坝分别为20,3,3个和1个。在以上27个坝体中,其中同时拥有坝体、溢洪道、放水建筑物三大件的淤地坝为0,25个坝有坝体和溢洪道两大件,仅两个淤地坝只有坝体。在定边调查发现,该地区淤地坝有6个坝体被损毁,4个出现了漫坝,占该区调查淤地坝总量的30%和20%。调查发现该区淤地坝坝体多为村镇道路的一部分,上方为水泥交通道路的均修建有较高标准的溢洪道,基本能满足大暴雨洪水排放标准。该区淤地坝淹没和淤积高度分别为1.53～4.30 m和0.24～1.00 m范围内。损毁处宽度和深度分别为1.5～15.1 m和11～18.2 m。

表3 暴雨调查区淤地坝淤积损毁情况

安塞县方塌流域3个淤地坝均未出现损毁和漫坝,且淤积厚度和淹没高度均较小,分别为0.03～0.04 m和0.24～0.3 m,主要是由于该区林草等植被盖度较高,且流域内梯田和排水等水土保持工程措施相对较完善,能有效抵抗暴雨的侵蚀。由于中阳县调查流域内淤地坝分布较少,外加降雨量和雨强极大,中阳县调查流域内3个淤地坝均发生了不同程度的损毁和漫坝(图8a—8b),损毁宽度和深度达7～12 m和8.5～5.7 m,调查发现坝地内洪峰高度超过了坝地1～2 m高;此次暴雨不仅导致中阳县小流域内重力侵蚀严重,也使得该流域整体冲刷严重(图8c—8d),调查显示坡面植被上泥沙淤积厚度可达0.04～0.08 m,由于该区不透水道路较多,坡面冲刷物在路面形成堆积,厚度约为0.2～0.35 m,致使流域侵蚀现象十分明显,侵蚀程度十分剧烈。

图8 山西省中阳县金罗流域淤地坝调查(杨波拍摄于20220821)

2.3 流域下游洪水淹没灾害

在4个调查区,除安塞方塌流域下游无淹没灾害之外,其余3县区暴雨中心流域下游均发生了十分严重的淹没灾害。定边县流域下游农田和房屋淤积高度分别为0.09～0.90 m和0.04～0.20 m,受灾最严重的是王来滩村(图9),该村房屋淹没高度0.2～0.34 m。通过询问当地农户得知,该村2022年种植约有334 hm2亩的农地,在这次洪水淹没下能收获的不到800亩,不到总种植面积的20%,农地受灾十分严重。洪水不仅造成了农地被淹没,也使得农民的家畜和财产遭受了一定的损失。

图9 陕西省定边县调查流域下游洪水淹没调查(焦菊英拍摄于20220714)

山西中阳县和临县在此次暴雨情况下淹没灾害相比于定边更加严重,主要受灾对象为下游的居民区。调查发现,该次暴雨使得中阳县金罗镇金罗大街洪涝灾害严重,居民房屋内部淹没高度达到了1.75～2.1 m不等,根据官方发布的消息(央视新闻客户端),此次特大暴雨不仅造成居民财产损失巨大,也造成了离隰高速第一标段5人遇难。临县暴雨下游受灾最严重的在玉坪乡李家坡底村,该村紧邻河道,据调查,在暴雨发生后的1 h内洪水便漫过河道涌入了村庄。李家坡底村主街道淹没高度为0.9～1.3 m之间,而众多的农户房屋位置低于主街道和主河道河堤,使得村庄最低处的农户房屋淹没超过了3 m多,受灾严重。

3 对暴雨侵蚀与洪水灾害的认识

3.1 工程建设引发侵蚀灾害问题

定边县属于能源大县,该区遍布有众多的风力发电场和石油钻井平台(如图10a所示),因修建一座风力发电场,配套需要修建一条乃至多条工程道路,在此次暴雨条件下,该道路也成为了侵蚀的策源地,另一方面,由于该区乡村交通道路未设置排水沟,径流汇集后随意排放也易形成强烈的侵蚀,见图10b所示,一段长下坡的交通道路在暴雨下径流汇集,在道路转弯处水流下泄至下游坡面和梯田,尽管坡面有草地所覆盖,但由于路面汇流集中,冲刷能力较强,草地坡面也可被侵蚀,同时导致下部8阶梯田被全部冲毁,侵蚀沟直至沟底,形成了一条长宽深最大分别为150,26 m和3.5 m的巨大侵蚀沟,侵蚀体积约有1.30×104m3。因此该地需注重工程建设与保持水土之间的协调关系,做到二者共同向好发展。

图10 陕西省定边县工程建设形成的侵蚀(赵文婷拍摄于20220730)

除未设置排水沟造成侵蚀外,我们也发现了交通道路因修建有排水沟但不合理排放引发的侵蚀现象。如图11所示,该区村镇交通道路多修建有长宽分别为1 m×1 m的排水沟,该排水沟尾端均修建在了小流域坡面处(图11a—11b),由于水泥道路为不透水路面,较容易集中降雨所形成的径流,特别是大暴雨情况下,排水沟的修建使得径流速度更快,流量更大,导致流域坡面被冲出了很多的大切沟,切沟长宽深分别为25.8～32.68,16.57～18.31 m和1.5～2.1 m,最大一处侵蚀体积高达897.56 m3;现场调查发现,在一段长度为357 m的路段,就发现了3处排水沟将水直接排至流域坡面,造成严重的人为侵蚀。在山西临县道路虽然修建有排水设施,但因缺乏管护和维修,使得排水管道损坏,从而造农作物损毁和农地侵蚀现象(图11c—11d)。

图11 道路排水不合理形成的侵蚀

综上所述,流域内修建交通道路和土质生产道路时应同时修建排水沟,虽需增大一定的费用,但可避免因暴雨损毁而重复修补导致人力物力和财力的多重消耗,排水沟的修建应符合相关规范,能抵御一定的暴雨洪水,同时对修建的排水沟合理放置排水口所在位置,避免因排水口位置放置不合理而造成人为的二次侵蚀现象。同时对已修建排水设置的道路应定期进行巡护,加大宣传力度,可对当地农户设置奖励制度,以增大当地农民的积极性,从而可有效降低因人为管护不及时不完善而造成的侵蚀问题。

3.2 坡耕地耕作引发的侵蚀灾害问题

坡耕地侵蚀主要发生在定边县,且存在顺坡耕作现象。调查发现,该区坡耕地主要以缓坡为主,其缓坡耕地最多可达小流域总面积的20%,侵蚀主要以细沟侵蚀为主,强度较大,加上该地主要种植农作物为玉米和荞麦两种,该地区荞麦在暴雨调查期间基本为生长初期,植株较小,荞麦作物本身根系并不发达,密度小且扎根浅(＜20 cm),抗侵蚀能力很差。而玉米在雨季生长已接近成熟期,地上植被盖度较高,地下部分扎根较深且稳定,调查发现同样的地块,种植玉米的侵蚀要远小于荞麦地侵蚀,除部分田边有少许细沟侵蚀外,田内基本无明显侵蚀,且铺设地膜的玉米地抗侵蚀能力要高于未铺设地膜的田块(图12)。因考虑到荞麦在当地属于特色农产品且该地会举办荞麦文化旅游节,因此该地可加大坡改梯力度,在梯田上种植荞麦可达到经济和生态效益双丰收的效果。

图12 陕西省定边县铺设地膜的玉米地边侵蚀(杨波拍摄于20220731)

3.3 河道占用引起的下游洪涝灾害问题

对山西省中阳县和临县受灾最严重的下游村镇调查发现,严重的河道占用使得洪涝灾害加重。中阳县金罗大街正上方流域出口河道被居民房屋所占用,原本在出口上方200 m处宽为几十米的河道突然缩窄至2～3 m宽,严重制约了河道的行洪泄洪能力。经调查该河道在平时枯水期被居民当作垃圾堆放场,随意向河道倾倒垃圾,致使河道堵塞,在暴雨时淤积抬高河床进一步增大洪涝风险。同时发现,在下游河道修建的多处桥梁也显著降低了河道的泄洪能力。在暴雨发生时由于上游洪水夹杂有各种树木枝干以及其他杂物,在经过桥梁时容易被堵塞,尤其是桥梁为多涵洞桥梁时洪水极易堵塞形成雍水对两岸居民和建筑设施造成严重的淹没损毁现象。建议当地加大对流域出口和河道的排查工作,对发现占用河道的现象早发现早解决。对部分旧桥梁可实施改建,新修建的桥梁其涵洞应少而宽,以利于行洪,降低洪涝灾害。

3.4 加快推进小流域蓄排工程建设

在调查中发现,暴雨调查的各流域中,仅延安市安塞区方塌流域具有相对完善的小流域蓄排设施。该流域水土保持工程措施主要有水窖、道路排水渠、拨水沟、梯田,加之该流域林草措施生长较好,植被盖度较大,尽管该区暴雨降雨量高于定边县,但侵蚀程度却低于定边县。其他无蓄排工程的流域,由于“重蓄轻排”,多数流域没有整体蓄水与排洪规划,流域现有的主要工程措施淤地坝大部分库容已接近或达到淤满标准,在大暴雨条件下,极易发生损毁和漫坝,从而造成了从水沙源头的坡面—沟坡—沟道—河道的产汇流和产输沙过程的侵蚀洪水灾害链。另外,也较少考虑流域地貌单元之间的汇水连通关系,导致抵御暴雨洪水灾害的能力有限,同时也无法实现雨洪资源的高效利用,甚至在一些地方出现“不下雨就干旱,一下雨就成灾”的尴尬局面。因此,加强暴雨区损毁淤地坝的修复和病险淤地坝的除险加固工作、积极推行采用新技术、新工艺、新材料和新方法的高标准免管护淤地坝。另外,因地制宜、科学规范,加强小流域整体规划,布设从坡面到沟道乃至河道的蓄水和排水工程,既能对侵蚀灾害链实施断链,又可实现雨洪资源高效利用目标与极端洪涝灾害有效防治目标的“蓄排协调”,从源头解决用水安全、防洪安全与生态安全是当前和未来一段时间该区急需解决的关键科学问题。

4 结论

本文通过野外实地踏勘与无人机影像判别相结合的方法,对典型暴雨条件下黄土高原小流域土壤侵蚀和下游洪水淹没灾害特征进行了调查和分析。

经过多年的退耕还林和水土流失治理,流域生态恢复明显,小流域内现行的水保措施能较好地抵御一般暴雨侵蚀,但在大暴雨乃至特大暴雨条件下,流域内侵蚀灾害依然严重,坡耕地极易发生侵蚀,且主要以细沟侵蚀为主,侵蚀模数为22 588～46 244 t/(km2·a);草地无明显沟蚀现象。重力侵蚀在流域总侵蚀中占比较重。道路侵蚀和损毁严重,有排水设施的道路侵蚀明显小于未设置排水设施的道路。梯田损毁主要发生在田面、田埂和田坎处,新修梯田损毁显著大于老梯田,当年雨季前修的梯田损毁也显著大于上年雨季后修的梯田。流域内各淤地坝拦沙作用明显,但在暴雨情况下仍存在较多的损毁和漫坝现象,且大部分淤地坝淤积已达到库容上限。小流域蓄排措施缺乏,不合理的工程建设,随意放牧,水保设施管护不到位,不合理地占用河道均会加剧流域侵蚀和洪水灾害。优化设计并布局流域内整体的“蓄排协调”设施是当前黄土高原地区水土保持工作高质量发展亟需解决的问题。

致谢:在此次暴雨调查工作中,得到了水利部水土保持监测中心、陕西省水土保持局、定边县水利局等单位的大力支持,谨此深表感谢。